A metabolomic approach to study the rhizodeposition in the tritrophic interaction: tomato, Pochonia chlamydosporia and Meloidogyne javanica

A combined chemometrics-metabolomics approach [excitation–emission matrix (EEM) fluorescence spectroscopy, nuclear magnetic resonance (NMR) and high performance liquid chromatography–mass spectrometry (HPLC–MS)] was used to analyse the rhizodeposition of the tritrophic system: tomato, the plant-parasitic nematode Meloidogyne javanica and the nematode-egg parasitic fungus Pochonia chlamydosporia. Exudates from M. javanica roots were sampled at root penetration (early) and gall development (late). EMM indicated that late root exudates from M. javanica treatments contained more aromatic amino acid compounds than the rest (control, P. chlamydosporia or P. chlamydosporia and M. javanica). 1H NMR showed that organic acids (acetate, lactate, malate, succinate and formic acid) and one unassigned aromatic compound (peak no. 22) were the most relevant metabolites in root exudates. Robust principal component analysis (PCA) grouped early exudates for nematode (PC1) or fungus presence (PC3). PCA found (PC1, 73.31 %) increased acetate and reduced lactate and an unassigned peak no. 22 characteristic of M. javanica root exudates resulting from nematode invasion and feeding. An increase of peak no. 22 (PC3, 4.82 %) characteristic of P. chlamydosporia exudates could be a plant “primer” defence. In late ones in PC3 (8.73 %) the presence of the nematode grouped the samples. HPLC–MS determined rhizosphere fingerprints of 16 (early) and 25 (late exudates) m/z signals, respectively. Late signals were exclusive from M. javanica exudates confirming EEM and 1H NMR results. A 235 m/z signal reduced in M. javanica root exudates (early and late) could be a repressed plant defense. This metabolomic approach and other rhizosphere -omics studies could help to improve plant growth and reduce nematode damage sustainably.

Estudio de la interacción tritrófica: tomate, Meloidogyne javanica y Pochonia chlamydosporia

Los nematodos fitopatógenos y en particular los agalladores causan graves pérdidas al tomate, un cultivo de gran importancia económica en España, la Unión Europea y en todo el mundo. El manejo de enfermedades por nematicidas químicos y fumigantes está muy limitado por la prohibición en la Unión Europea y a escala mundial del uso de muchos nematicidas químicos y de fumigantes como el bromuro de metilo. Los suelos supresivos a nematodos son ejemplos de control biológico natural que incluyen antagonistas de nematodos con potencial para su uso en el manejo de dichos patógenos vegetales. Nuestro grupo posee una dilata experiencia en estudio de la biología y en particular en el análisis del modo de acción del hongo parásito de huevos de nematodos, Pochonia chlamydosporia. En este artículo incluimos un resumen de nuestros estudios sobre presencia de P. chlamydosporia en suelos agrícolas. A continuación abordamos el estudio de aspectos celulares y moleculares de la infección de huevos de nematodos por P. chlamydosporia. Nuestro grupo fue pionero al demostrar que los hongos nematófagos se comportan como endófitos colonizando las raíces de mono y dicotiledóneas. Recientemente hemos secuenciado el genoma de P. chlamydosporia. El estudio de sus relaciones filogenómicas y el análisis de sus familias génicas apoyan el comportamiento multitrófico del hongo. Finalmente aportamos nuestros resultados del análisis metabolómico de la interacción tomate-nematodo agallador-P. chlamydosporia. Nuestra actual hipótesis de trabajo es que el estudio de dicha interacción por técnicas de análisis molecular masivo abren nuevas vías al manejo sostenible de nematodos bloqueando su comunicación con la planta y activando o modulando las defensas de los cultivos por hongos antagonistas como P. chlamydosporia.

Chitosan enhances parasitism of Meloidogyne javanica eggs by the nematophagous fungus Pochonia chlamydosporia

Pochonia chlamydosporia (Pc), a nematophagous fungus and root endophyte, uses appressoria and extracellular enzymes, principally proteases, to infect the eggs of plant parasitic nematodes (PPN). Unlike other fungi, Pc is resistant to chitosan, a deacetylated form of chitin, used in agriculture as a biopesticide to control plant pathogens. In the present work, we show that chitosan increases Meloidogyne javanica egg parasitism by P. chlamydosporia. Using antibodies specific to the Pc enzymes VCP1 (a subtilisin), and SCP1 (a serine carboxypeptidase), we demonstrate chitosan elicitation of the fungal proteases during the parasitic process. Chitosan increases VCP1 immuno-labelling in the cell wall of Pc conidia, hyphal tips of germinating spores, and in appressoria on infected M. javanica eggs. These results support the role of proteases in egg parasitism by the fungus and their activation by chitosan. Phylogenetic analysis of the Pc genome reveals a large diversity of subtilisins (S8) and serine carboxypeptidases (S10). The VCP1 group in the S8 tree shows evidence of gene duplication indicating recent adaptations to nutrient sources. Our results demonstrate that chitosan enhances Pc infectivity of nematode eggs through increased proteolytic activities and appressoria formation and might be used to improve the efficacy of M. javanica biocontrol.